Discussions

Au cours du développement du dispositif expérimental, nous avons rencontré plusieurs problèmes, notamment lors de l’utilisation du dispositif entier (avec la circulation de la phase liquide). Dans cette partie nous abordons ces problèmes et analysons le dispositif développé.

Problèmes rencontrés. En cours de mesures, le niveau de l’interface liquide-vapeur ne reste pas stable : la hauteur de liquide dans la cellule d’équilibre augmente

lorsque le système est tiré sous vide (pour dégazer l’huile) et diminue lorsque le fluide frigorigène est introduit dans la cellule d’équilibre. La méthode synthétique reposant sur la mesure de la hauteur de liquide dans la cellule d’équilibre, nous ne pouvions pas continuer les essais.

Cette constatation nous a conduit à penser qu’une zone morte existait dans le circuit, malgré le tirage au vide de l’ensemble du système avant le chargement d’huile et l’introduction de l’huile par le point le plus haut jusqu’à obtenir une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique. Nous avons d’abord réitéré l’expérience en excluant certains équipements (densimètre, viscosimètre, pompe) et le problème ne survient que lorsque la pompe de circulation est incluse dans le système.

Pensant qu’une zone morte existait encore dans le corps de pompe, nous avons effectué un essai en la retournant, pour s’assurer que toutes les parties sont remplies d’huile lors du chargement. Cette modification n’a pas donné d’amélioration du problème.

Nous avons alors modifié la procédure de chargement de l’huile pour être certains que la pompe, le densimètre, le viscosimètre et toutes les lignes de circulation de la phase liquide soient remplies de liquide.

La pompe et le densimètre sont isolés à l’aide de deux vannes. Le chargement commençant à vide se finit à une pression supérieure à la pression atmosphérique, pour remplir les possibles zones mortes du corps de pompe. Puis une vanne d’isolation est ouverte pour charger le reste du circuit et jusqu’à ce que quelques centimètres de liquide apparaissent dans la cellule d’équilibre. La pompe est mise en marche à ce moment là.

Le changement de protocole n’a pas apporté d’amélioration au problème rencontré.

Nous avons ensuite considéré que la pompe n’était pas capable de faire circuler un fluide aussi visqueux que l’huile. Pour aider à la circulation de la phase liquide nous avons modifié les lignes de circulation en augmentant leur diamètre. Nous en avons aussi profité pour changer la position de la ligne de chargement du fluide frigorigène pour qu’elle plonge dans la phase liquide et améliorer le mélange des deux produits (Figure II. 28). Cette modification n’a pas apporté d’amélioration.

Figure II. 28 : Intérieur de la cellule d’équilibre. (a) : Ligne de chargement du fluide frigorigène, (b) : Retour de la phase liquide circulée.

Finalement, notre dernière hypothèse est que la pompe se désamorce pendant ou après le chargement de l’huile. Pour éviter que la pompe de circulation ne se décharge dans la cellule, sa position a été abaissée pour être en-dessous de la cellule d’équilibre. Cette modification n’a pas eu d’effet sur la variation du niveau de liquide dans la cellule d’équilibre.

Des essais avec une pression initiale supérieure à la pression de vapeur saturante de l’huile doivent être faits pour essayer de remédier à ce problème.

Pour mesurer les données nécessaires au diagramme de Daniel, le densimètre et le viscosimètre ont été séparés du reste du dispositif expérimental. Ainsi la mesure de viscosité dynamique et de masse volumique est séparée de la détermination de la solubilité dans la cellule d’équilibre.

Analyse du dispositif expérimental. L’important volume d’huile utilisée peut être un problème pour les produits disponibles en petite quantité. Ainsi, le nombre d’essais possible est diminué. La possibilité de découpler la mesure de viscosité cinématique du calcul de la solubilité est alors intéressante. Si le nombre d’essais est limité, il est possible d’effectuer seulement des mesures de solubilité ou des mesures de viscosité cinématique.

Comme la surface de l’interface liquide/vapeur rapportée au volume d’huile est très petite, le temps d’atteinte de l’équilibre peut être particulièrement long.

De plus, la phase vapeur est bornée à la cellule d’équilibre. Son volume est donc faible par rapport au volume de la phase liquide. La plage de composition que l’on

peut étudier est donc réduite aux faibles compositions en fluide frigorigène. Ces compositions correspondent aux compositions attendues dans le carter d’un compresseur de pompe à chaleur.

Dans le reste du circuit d’une pompe à chaleur, la phase liquide est riche en fluide frigorigène. A ces compositions, la viscosité cinématique attendue est très faible (< 5 cSt). A ces valeurs, la viscosité cinématique n’est plus un frein à l’écoulement du mélange fluide frigorigène – huile de lubrification. Dans ces conditions, il est plus important d’être capable de détecter la présence d’un équilibre liquide-liquide-vapeur plutôt que de connaitre la valeur de la viscosité cinématique du mélange fluide frigorigène – huile de lubrification. Comme vu au chapitre I, la présence d’une seconde phase liquide peut affecter les transferts de chaleur et entrainer des pertes de charge, avec comme conséquences, une baisse du COP de la pompe à chaleur et/ou un engorgement de la tuyauterie.

6. Conclusion

Dans ce chapitre nous avons détaillé l’équipement de mesure qui nous permet de mesurer la solubilité du fluide frigorigène dans l’huile de lubrification et la viscosité dynamique et la masse volumique de la phase liquide associée. Nous avons aussi présenté l’étalonnage effectué sur les différents appareils de mesure (densimètre, viscosimètre, capteurs de pression et sondes de température), ainsi que de la cellule d’équilibre. Les calculs des incertitudes associées à ces appareils ont aussi été détaillés.

Les mesures dans les conditions d’équilibre, au point de bulle, ont permis d’ajuster les paramètres des modèles et d’en vérifier la validité.

Actuellement, l’équipement ne permet pas de mesurer les propriétés d’équilibre et de transport simultanément. Nous avons dû utiliser la cellule d’équilibre d’un côté, et le densimètre et le viscosimètre de l’autre.

Si les mesures d’équilibre liquide-vapeur sont rapides (2 jours pour une dizaine de points expérimentaux d’une isotherme, chargement et nettoyage inclus), la mesure des propriétés de transport est beaucoup plus longue (1 semaine pour une dizaine de points expérimentaux, chargement et nettoyage inclus).

Le dispositif expérimental a été équipé d’emplacements pour accueillir des échantillonneurs capillaires ROLSI®, pour mesurer la composition de la phase vapeur dans le cadre d’un mélange de fluides frigorigènes par exemple. Certains

éléments sont conçus pour des pressions de 1 à 100 bars et des températures de 20 à 200°C, afin d’élargir les conditions de température et de pression d’étude. Le développement de l’équipement de mesures est indépendant de la nature des fluides frigorigènes étudiés.

En complément du dispositif expérimental développé, l’étude s’est appuyée sur des appareils de mesure de paillasse. Nous avons donc pu utiliser un densimètre à tube vibrant (Anton Paar, DSA 5000 M) pour effectuer les mesures de masse volumique des huiles pures. Nous avons aussi utilisé un viscosimètre à chute de bille (Anton Paar, Lovis 2000 ME) pour effectuer des mesures de viscosité cinématique de mélange (HFO – 1336mzz(Z) – SE 220) à pression atmosphérique (Brocus et al., 2019).

Ces mesures sont possibles car ce fluide frigorigène est liquide à température ambiante et pression atmosphérique.

Tous les résultats de mesure seront présentés dans le chapitre IV, avec les résultats de modélisation utilisant les modèles présentés dans le prochain chapitre.